Neutronstjerners sammenstød rystede universet

25.10.2017

TYNGDEBØLGER: For første gang er det lykkedes at opfange tyngdebølger såvel som lys fra to neutronstjerner, der har kredset stadig tættere om hinanden for til sidst at kollidere. Den banebrydende opdagelse indleder en helt ny æra inden for astronomien, og den har stor betydning for forståelsen af, hvordan tunge grundstoffer som guld, platin og uran dannes.

Forskere fra Niels Bohr Institutet på Københavns Universitet var klar, da de to neutronstjerner ramlede sammen 17. august kl. 14.41 dansk tid. Specielt på forskningscenteret Dark Cosmology Centre (DARK) havde astrofysikerne håbet på, at de ville opleve sådan en begivenhed og få lejlighed til at rette teleskoper mod den såkaldte kilonova, som neutronstjernernes sammenstød resulterede i.

»Vi kunne se, at kilonovaen gik fra at være blå til at være rød. Det kan den kun, hvis der bliver dannet tunge grundstoffer. Det er altså i sammenstødet mellem neutronstjerner, vi har fået dannet de tungeste af de grundstoffer, vi har på Jorden i dag. Det er helt grundlæggende videnskab og vildt spændende,« siger professor Jens Hjorth, der leder DARK. 

Jens Hjorth modtog  tidligere på året en bevilling på 40 mio. kr. fra VILLUM FONDEN, så han som VILLUM Investigator kan forske i, hvordan tunge grundstoffer som guld, platin og uran dannes.

Han og en snes andre forskere fra Niels Bohr Institutet har været stærkt involveret i analysen af det kosmiske sammenstød. Deres arbejde har allerede resulteret i 20 videnskabelige artikler, der i dag publiceres i tidsskrifter som Nature, Science og Astrophysical Journal Letters.

Opdagelsen kan ikke blot bidrage til at forklare, hvordan tunge grundstoffer dannes og spredes i galakserne. Den viser også vejen til en ny måde at bestemme afstanden til fjerne himmellegemer, for når astronomerne både har tyngdebølger og lys at gå efter, kan de måle de store afstande mere præcist. På baggrund af den målte afstand kan de desuden beregne, hvor hurtigt universet udvider sig.

Ultrafølsomme detektorer opfangede tyngdebølger

Neutronstjerner er de uhyre kompakte rester efter store stjerner, der er brændt ud. Cirka 140 millioner lysår herfra i galaksen NGC 4993 kredsede to neutronstjerner så vanvittigt hurtigt om hinanden, at det blev til flere hundrede omgange i sekundet. Til sidst kom de så tæt på hinanden, at de kolliderede i en gigantisk eksplosion.

I kollisionen smeltede de to neutronstjerner, der havde en samlet masse på 2,8 gange massen af Solen, sammen til en meget stor neutronstjerne eller et sort hul. En lille del af massen, svarende til mellem tre og fem procent af Solens masse, undslap denne skæbne og blev i stedet slynget ud i rummet.

Her skabte det udkastede materiale en gigantisk, radioaktiv ildkugle, der udvidede sig med hastigheder på en femtedel af lysets – i omegnen af 60.000 kilometer i sekundet, svarende til halvanden gang rundt om Jorden på et enkelt sekund. I denne ildkugle blev store mængder tunge grundstoffer skabt i en mange tusinde grader varm suppe af neutroner.

»Vi har fået bekræftet vores formodning om, at hovedparten af de tungeste grundstoffer bliver dannet, når to neutronstjerner smelter sammen,« fortæller Jonatan Selsing, der er ph.d.-studerende på DARK, og som sørgede for at presse mest mulig information ud af lyset fra kilonovaen.

I de sidste 100 sekunder før sammenstødet udsendte de to neutronstjerner tyngdebølger, der kunne opfanges af ekstremt følsomme detektorer. Tyngdebølger er små krusninger i selve rumtiden, og de kraftigste tyngdebølger kommer, når universets tungeste og mest kompakte objekter – sorte huller og neutronstjerner – kredser tæt om hinanden.

Det er første gang, der er opfanget tyngdebølger fra kolliderende neutronstjerner. Tidligere detektioner har været fra sorte huller, der smeltede sammen. Endnu vigtigere er det, at det for første gang er lykkedes at detektere både tyngdebølger og elektromagnetisk stråling som lys fra samme begivenhed.

Tyngdebølger, gammaglimt og kilonova bekræfter teori

Efter at tyngdebølgedetektorerne havde registreret sammenstødet mellem neutronstjernerne, gik der mindre end to sekunder, før et kort gammaglimt blev detekteret af rumteleskoperne Fermi og Integral. Et gammaglimt er en kraftig puls af elektromagnetisk stråling med høj energi (gammastråler). Nu ved vi, at der kan udsendes korte gammaglimt, når neutronstjerner kolliderer.

Med data fra tyngdebølgedetektorerne og rumteleskoperne kunne astronomerne udpege det omtrentlige område på himlen, hvor neutronstjernerne var stødt sammen. En lang række teleskoper blev rettet mod området, og efter 11 timers jagt lykkedes det at finde et nyt, lysende objekt på himlen – kilonovaen.

Den kan bedst ses fra den sydlige halvkugle, og derfor var det teleskoper i Chile, der kom først. Enrico Ramirez-Ruiz, der er Niels Bohr-professor på Niels Bohr Institutet på en bevilling på 30 millioner kroner fra Danmarks Grundforskningsfond, var på det hold, der først fik øje på kilonovaen. Han deltog også i det videre arbejde med at fortolke de mange data, der strømmede ind.

»Det er en kolossal stor opdagelse, måske den største i min levetid. Endelig lykkedes det at observere et af de mest eksotiske fænomener i universet, og vi fangede både elektromagnetiske bølger og tyngdebølger. Vi var heldige, men heldet følger den, der er godt forberedt, og vi var klar,« siger han.

Kombinationen af tyngdebølger fra kolliderende neutronstjerner, et gammaglimt og en kilonova var netop, hvad forskerne på Niels Bohr Institutet havde håbet på at observere. Nu står det klart, at de tre fænomener hænger sammen. Det er ikke længere kun en teori, men bekræftet med observationer.

»Det er fantastisk, at vi både fangede tyngdebølger, gammaglimt og optisk lys fra kollisionen. Det er lige præcis, hvad vi ønskede at gøre, men vi havde ikke forventet, at det ville lykkes så hurtigt. Vi troede, at vi skulle vente adskillige år endnu. Det hele gik op i en højere enhed,« siger Jens Hjorth.

Pressemeddelelse fra Københavns Universitet, Niels Bohr Institutet